SSD固态硬盘知识简介

分手后的思念是犯贱 2022-02-12 10:30 1046阅读 0赞

### 目录 ###

*   *  SSD发展历程
     *  SSD内部结构：主控芯片、闪存芯片、固件算法
     *   *  主控
         *  固件算法
         *  NAND闪存颗粒
         *   *  SLC模拟缓存
             *  TRIM
             *  磨损平衡
             *  3D-NAND
     *  SSD硬盘接口
     *   *  SATA
         *  mSATA(miniSATA)
         *  PCI-E
         *  M.2
     *  AHCI协议和NVMe协议
     *  SSD优缺点
     *   *  SSD优点
         *  SSD缺点

传统的机械硬盘(HDD)运行主要是靠机械驱动头，包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件，它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置，至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。SSD却不同机械构造，无需移动的部件，主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置，而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘，访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”，完全得益于内部的组成部件：主控、闪存、固件算法。

## SSD发展历程 ##

SSD发展主要围绕颗粒类型、容量大小、封装缓存技术等进行。  
![ALT][]

## SSD内部结构：主控芯片、闪存芯片、固件算法 ##

![在这里插入图片描述][20190501204104278.png_pic_center]

### 主控 ###

SSD主控本质是一颗处理器，类似于电脑CPU，主要基于ARM架构，也有部分SSD厂家的主控采用RISC架构，使其具备CPU级别的运算能力。其具体作用表现在：一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作，协调和维护不同区块颗粒的协作，二是承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部SATA接口，三是负责固态硬盘内部各项指令的完成，诸如trim、CG回收、磨损均衡。

一款主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命。主控芯片的技术门槛较高，所以主控品牌比较少，目前主流主控品牌有慧荣、群联、Marvell、三星。

> **慧荣/群联：** 慧荣和群联是两家台湾主控公司，其主控成本低廉，受到很多国产SSD的欢迎，涉及厂家包括但不限于：浦科特、七彩虹、影驰、台电、光威、铭瑄等。  
> **Marvell主控：** Marvell隶属于高端系列，早期产品只用于企业级，现在应用在浦科特、闪迪、英睿达固态硬盘中。技术实力雄厚，主控质量稳定，但是相应的固态硬盘的价格也比较昂贵。  
> **三星主控：** 三星主控只用在自家的SSD产品中，技术实力强悍。可以这么说，在SATA接口SSD中，三星860PRO读写速度最快，在NVMe固态硬盘中，三星960PRO读写速度最快。  
> **瑞昱主控：** 同样是台系品牌，是一家新晋主控品牌，七彩虹部分SSD采用瑞昱主控方案。

### 固件算法 ###

SSD固件是确保SSD性能的非常重要的一部分，主要用于驱动控制器。固件冗余存储至NAND闪存中，主控使用固件算法中的控制程序，去执行自动信号处理，耗损平衡，错误校正码(ECC)，坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备(如电脑)通信，以及执行数据加密等任务。当SSD制造商发布一个固件更新时，需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

一款固态硬盘中颗粒对性能的影响约为60%，而固件的影响就会占到20%以上。高品质算法优秀的固件不仅仅是一项非常艰难的工作，而且也需要让闪存和主控之间达到完美的兼容，需要掌握闪存颗粒和主控等多项先进的技术 。固件的品质越好，整个SSD的品质也就越出色。

能够独立开发固件的SSD厂商少，仅有三星、Intel、闪迪、英睿达、浦科特、东芝等，这是大厂带来的技术优势。

### NAND闪存颗粒 ###

闪存颗粒有很多不同的变种，固态硬盘最为常用的是NAND闪存颗粒。  
**NAND闪存分类**（根据电子单元密度大小划分）：SLC（单层次存储单元）、MLC（双层存储单元）、TLC(三层存储单元)以及QLC（四阶存储单元）

通过对闪存内最小的物理存储单元的电位划分不同的阶数，可以在一个存储单元内存储一至多个二进制位数。即SLC一个单元只有两种状态（0或1）储存一位信息；MLC中一个单元有四种状态（00/01/10/11）储存两位信息。每个存储单元存储的二进制位数越多，寿命越短。（电压阈值较低可靠性差）  
![在这里插入图片描述][20190428212607157.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][20190501203106168.png]  
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#### SLC模拟缓存 ####

应对突发IO，主要是应对突发写入、免除等待。是无独立缓存时代的解决方案，牺牲一定的容量换取短暂的高性能；缓存大小可通过主控动态分配  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

#### TRIM ####

微软提出，因FLASH不支持实时覆盖写入而生，必须清空后才能使用。操作系统删除文件，发送指令给主控，相关数据区域被标记，后台根据实际情况进行数据清理（由固件决定实时清理还是延迟清理），TRIM指令默认都打开，打开后能一定程度保证写入性能。TRIM指令导致SSD数据误删除后难以恢复。

#### 磨损平衡 ####

减缓区域性的过度重复磨损；擦除次数实时预警  
动态WL、静态WL、全局WL

#### 3D-NAND ####

随着NAND制程越来越小，缩短制程提高存储密度已经非常困难。最新的NAND技术被称为3D-NAND，这种材料改变了2D-NAND单层的设计，将32层、64层NAND进行堆叠，从而提高存储密度。

## SSD硬盘接口 ##

### SATA ###

SATA这个词是Serial ATA（Serial Advanced Technology Attachment）串行ATA的缩写，这是一种电脑总线，用于数据传输。在此之前广泛应用的是PATA，也就是Parallel ATA，并行ATA，在硬盘领域对应着IDE硬盘，相信不少用户在BIOS设置中，能够看到IDE这样的字样。SATA取代PATA，主要是传输速率的提升，具备更强的纠错能力以及更加稳定。

SATA的更新版本主要有SATA1.0、SATA2.0和SATA3.0。而在SATA的基础上，还研发出了一些相关的接口，比如SATA-E、mSATA等接口，甚至就连SAS接口也兼容了SATA。

和内存一样，SATA接口也拥有着**向下兼容**的特点，即SATA 3的硬盘可以插在SATA 2的接口上使用，但值得注意的一点是，如果是机械硬盘，这样操作问题不大，因为机械硬盘的传输速率还没有超过SATA 2的性能上限，所以插上后没什么影响。但如果是固态硬盘就不行了，sata固态硬盘动辄480~560MB/s的传输速率，已经超过了SATA 2，所以如果是SATA3接口的固态硬盘插在SATA 2接口上，那固态硬盘的传输速率就会大幅下降到200多MB/s。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>版本</th> 
   <th>带宽</th> 
   <th>理论速度</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SATA Express</td> 
   <td>16Gb/s</td> 
   <td>1.97 GB/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SATA 3.0</td> 
   <td>6Gb/s</td> 
   <td>600MB/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SATA 2.0</td> 
   <td>3Gb/s</td> 
   <td>300MB/s</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SATA 1.0</td> 
   <td>1.5Gb/s</td> 
   <td>150MB/s</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**2.5英寸SATA接口固态硬盘：7+15针**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
SATA数据接口（7针）电源接口（15针）定义详解 参考文章([https://blog.csdn.net/u013000139/article/details/50371568][https_blog.csdn.net_u013000139_article_details_50371568])

SATA数据接口和电源接口  
![23125S339-2.png][]  
数据接口（7针）定义  
![23125W463-6.png][]  
![23125Sa5-7.png][]  
电源接口（15针）定义  
![23125V134-8.png][]  
![23125R0Q-9.png][]

### mSATA(miniSATA) ###

早期，为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA（mini SATA）接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版，物理接口跟mini PCIe接口一样。mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程，不过mSATA依然没有摆脱SATA接口依然是SATA通道，速度是6Gbps。诸多原因没能让mSATA 接口火起来，反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

mSATA接口固态硬盘：8+18针  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### PCI-E ###

PCI-Express (peripheral component interconnect express)，是一种高速串行计算机扩展总线标准，它的主要优势就是数据传输速率高。在传统SATA硬盘中，当我们进行数据操作时，数据会先从硬盘读取到内存，再将数据提取至CPU内部进行计算，计算后再反馈给内存，最后写入至硬盘中；而PCIe接口数据直接通过总线与CPU直连，传输效率与速度都成倍提升。

PCIE有四种接口尺寸：X1/X4/X8/X16，版本有1.0/2.0/3.0  
![70][]  
![70 1][]  
我们通过用胶带覆盖显卡PCI-E接口金手指的方法来屏蔽，由于PCI-E每个通道彼此互相独立，并且支持通道数量向下兼容(如果x16设备插在x1槽上，则自动降为x1)。  
![70 2][]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

### M.2 ###

M.2原名是NGFF接口，这是为超极本（Ultrabook）量身定做的新一代接口标准，主要用来取代mSATA接口。不管是从非常小巧的规格尺寸上讲，还是说从传输性能上讲，这种接口要比mSATA接口好很多。正是因为SATA的接口瓶颈越来越突出，现在很多主板厂商都开始在产品线上预留出M.2接口。

**M.2接口能够同时支持PCI-E通道以及SATA**，其中前者在提高速度方面更轻松一些。最开始该接口所采用的是PCI-E 2.0 x2通道，理论带宽10Gbps，可以说它也突破了SATA接口理论传输瓶颈。如今的M.2接口全面转向PCI-E 3.0 x4通道，理论带宽达到了32Gbps，相比以往水准提升了很多，这也让SSD性能潜力大幅提升。另外，该接口固态硬盘还支持NVMe标准，和现在的AHCI比较起来，通过新的NVMe标准接入的SSD，在性能提升方面非常明显。

虽然现在M.2的SSD已经铺天盖地了，但在买的时候，一定要注意M.2接口分为 **B key（Socket 2）** 和 **M key（Socket 3）** 两个模组，它们由于金手指缺口和针脚数量的不同而容易产生兼容问题。简单来说，B key是在左边留有6个针脚后缺了一个口子，而M key则是在右边有5根针脚后才有缺口。不过厂商们为了减少主板（含笔记本）烧毁几率，现在都用同时兼容B key和M key的接口。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

## AHCI协议和NVMe协议 ##

AHCI是对应SATA接口的协议，使用时需要在主板中开启AHCI模式；NVMe是针对PCIE开发的新协议。

NVMe控制器通过几种不同的方式提高性能。一种是使用PCIe总线，它将存储直接连接到系统CPU。这种直接连接消除了SATA的一些必要步骤，并提高了整体性能。此外，NVMe SSD在很大程度上实现了并行性，极大地提高了吞吐量。

**只有SSD运行在NVMe上**  
　　因为NVMe驱动器要比SATA快得多，所以将NVMe与HDD放在一起使用来提高性能似乎是个好主意。但是请记住，NVMe代表非易失性存储接口规范，它是专门为NAND 闪存等非易失性存储设计的(尽管它也可以用于较新的非易失性内存，比如3D XPoint)。  
　　当系统从HDD读取数据时，它一次只能读取一块数据。因为它必须进行旋转以定位到第一个数据块的正确物理位置，然后再次旋转，移动到第二个数据块的正确位置，以此类推。另一方面，闪存和其他非易失性存储技术没有移动部件。这意味着系统可以同时从许多不同的位置读取数据。这就是为什么SSD可以利用NVMe提供的并行性，而HDD不能。

NVMe是一种协议，是一组允许SSD使用PCIe总线的软硬件标准，而PCIe是实际的物理连接。当您将一个NVMe SSD插入服务器时，您需要通过一个PCIe插槽连接它。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JyYXZlX3N0b25l_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

## SSD优缺点 ##

### SSD优点 ###

*  没有移动的机械组件，更能抵抗物理冲击，无声运行
 *  访问时间短，延迟低

### SSD缺点 ###

*  所有SSD仍然以电荷存储数据，如果没有电源，它会随着时间的推移而慢慢泄漏。这导致磨损的驱动器（超过其耐久性等级）通常在一个（如果存储在30°C）到两个（25°C）存储时间后开始丢失数据。
 *  提高每单元比特数增加了容量并降低了成本，但可靠性耐久性较差。

--------------------

**参考文献**

1.  [干货！史上最全SSD科普贴][SSD]
2.  [博客：SSD固态硬盘的结构和基本工作原理概述][SSD 1]
3.  [b站视频：关于SSD固态硬盘，你真的了解吗？][b_SSD]
4.  [SSD接口种类][SSD 2]
5.  [SATA、mSATA 、PCIe和M.2——SSD硬盘的接口][SATA_mSATA _PCIe_M.2_SSD]
6.  [知乎：如何选购固态硬盘][Link 1]
7.  [什么是NVMe?一篇文章理清它的前生今世][NVMe]

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[SSD]: https://baijiahao.baidu.com/s?id=1592542568939809751&wfr=spider&for=pc
[SSD 1]: https://blog.csdn.net/lyon_yong/article/details/79178794
[b_SSD]: https://www.bilibili.com/video/av49655191?t=178
[SSD 2]: https://blog.csdn.net/weixin_38233274/article/details/79311675
[SATA_mSATA _PCIe_M.2_SSD]: https://blog.csdn.net/Leo_csdn_/article/details/83621572
[Link 1]: https://www.zhihu.com/question/20369676
[NVMe]: http://storage.it168.com/a2018/0921/5045/000005045252.shtml